为了满足大行程、高精度旋转运动的需求, 以尺蠖型累积步进角位移为原理, 设计了尺蠖型超磁致伸缩旋转驱动器。以超磁致伸缩棒为动力源、直角柔性铰链为回弹元件, 通过施加特定时序的激励信号, 使钳紧机构和驱动机构有效配合, 实现了转子的步进式角位移输出。将直角柔性铰链简化为超静定梁进行了静动态特性分析, 并建立了空间力学模型。搭建了实验测试系统, 对超磁致伸缩旋转驱动器的输出性能、钳紧稳定性和输出角位移稳定性进行了实验测试。实验结果表明: 在驱动电压为4.5 V、频率为2 Hz的条件下, 平均单步角位移为278.81 μrad, 最大误差为7.92 μrad, 最大相对误差为2.83%; 系统钳紧机构的径向跳动小于1.35 μm, 驱动器工作状态稳定可靠, 输出精度高, 可实现360°转动; 模型计算结果与实验结果基本一致, 最大误差为12.11 μrad, 最大相对误差为4.34%。

为改善惯性压电驱动器输出性能, 提出了一种新型具有偏置结构的非对称惯性压电旋转驱动器。在非对称夹持的基础上, 定义了一种偏置结构。为了解偏置结构对驱动器输出性能的影响, 建立了机构的力学模型方程, 推导并仿真分析了驱动器的动力学特性。设计、制作了试验样机, 搭建了试验系统; 进行了试验测试并与无偏置结构驱动器进行了性能对比。结果表明: 偏置距离为15 mm时, 驱动器输出步距角速度最大。与无偏置结构驱动器相比, 驱动电压为100 V、23 Hz时, 驱动器输出最大角速度从3.48 rad/s增加至5.39 rad/s, 增幅达54.88%, 驱动器最大驱动力矩从2.41 N·mm增加至3.62 N·mm, 增幅达50.2%; 驱动电压为100 V, 4 Hz时, 驱动器稳定运行时的承载量达1 300 g。理论与试验结果表明, 提出的有偏置结构的驱动器具有输出步距角速度和驱动力矩更大的特点。

以惯性压电旋转驱动器为研究对象，对比研究了非对称式惯性压电旋转驱动器和变摩擦力式惯性压电旋转驱动器的运动特性。分析了两种驱动器的工作原理，设计、制作了试验样机，搭建了测试系统并对两种压电旋转驱动器进行了对比试验测试。结果显示：在8 Hz方波电信号的激励下，非对称式压电驱动器的旋转步距大于变摩擦力式旋转驱动器；当驱动电压为100 V时，非对称式与变摩擦力式压电驱动器的回退率分别为73.19%、65.67%；在40 V、8 Hz的方波激励下，非对称式与变摩擦式压电驱动器的线性度残差平方和与重复性标准差分别为0.031、0.069与0.011、0.063。试验结果表明：与变摩擦力式驱动器相比，非对称式驱动器的输出步距及回退率更大，具有较高的线性度和重复性。

设计了以非对称机械夹持压电双晶片振子为驱动元件, 支撑面之间正压力可以改变的非对称夹持惯性压电旋转驱动器。分析了该驱动器的运动机理, 建立了非对称夹持压电双晶片振子的仿真分析模型, 研制了实验装置, 并采用ANSYS仿真分析和试验测试对比的方式, 探讨了非对称夹持压电双晶片振子在对称方波激励电信号作用下的瞬态加速度响应情况。仿真分析和试验测试结果表明, 在对称方波激励电信号作用下, 非对称夹持压电双晶片振子具有较好的惯性冲击特性。试验研究了变正压力非对称夹持惯性压电旋转驱动器在不同旋转角度和激励电信号频率条件下的工作性能, 结果表明: 在夹持差为4 mm, 激励电信号电压为30 V, 激励电信号频率为5 Hz, 压电振子与接触平面之间夹角为50°时, 研制的压电旋转驱动器能够明显减少惯性压电旋转驱动器回退的现象, 可实现稳定单向旋转。

提出了通过控制正压力来改变摩擦力的方案, 进而研制了一种以压电叠堆为动力转换元件的新型压电旋转驱动器。采用两个驱动用压电叠堆对称布置的方式设计了该旋转驱动器结构,探讨了旋转驱动器运动机理, 制作了压电旋转驱动器试验样机并对其进行了试验测试。试验结果表明, 该驱动器输出步长线性度较好, 当驱动电压为10 V、频率为2 Hz时, 驱动器旋转步长为20 μrad。分析了驱动器输出稳定性, 针对存在的问题提出通过施加控制系统来有效提高不同起始位置驱动器的运动稳定性。对试验结果进行误差分析, 找出了产生误差的原因, 为驱动器的进一步优化设计提供了参考。研究证明了该压电旋转驱动器设计方法的可行性, 利用该方法可以制作出结构简单, 体积小, 适合在微驱动领域中应用的驱动器。

针对目前压电驱动器主要使用非对称锯齿波电信号驱动压电晶体实现驱动的现状，采用对称电压信号驱动压电振子，设计了非对称夹持式压电旋转驱动器。用对称波电信号作用在压电双晶片振子上，产生正反两个方向大小不同的周期性惯性冲击力，驱动机构实现旋转位移。建立了压电旋转驱动器的动力学模型，分析了非对称夹持旋转驱动器实现大小不同惯性冲击力的原理以及压电旋转驱动器的运动过程。组成了压电旋转驱动器的测试系统，在不同电压幅值、频率的方波激励下，对压电旋转驱动器的平均步长进行了测试。结果表明：非对称夹持式压电旋转驱动器能实现较稳定的单向转动，最大行程为360°，最大承载能力超过300 g，步长分辨率为5 μrad，最大转动速度为4 000 μrad/s；驱动器样机在20 V、2 Hz的方波激励下，平均运动步长为12 μrad，转动速度为24 μrad/s。

提出了一种新型的压电精密步进旋转驱动器.该驱动器根据仿生运动原理,以压电陶瓷叠堆为动力源,采用定子内侧箝位的方式和薄壁柔性铰链微变形结构,提高了箝位的稳定性和步进旋转的稳定性.通过静力学有限元分析和动力学分析,较深入地研究了该驱动器的运动特性.研究结果表明,该驱动器具有高频率(40 Hz),较高速度(325μrad/s),大行程(＞360°),高分辨率(1μrad/step),较大驱动力(30 N·cm)等特点,提高了压电精密步进旋转驱动器的驱动性能,在精密运动、微操作、光学工程、精密定位等精密工程领域有广阔的应用前景.

提出了一种将压电叠堆驱动元件应用到精密旋转驱动器上的研究方案.在对驱动器机械结构及旋转运动工作原理进行分析的基础上,建立了以压电叠堆为驱动元件的旋转驱动数学模型,采用有限元分析软件对机械结构进行了分析,并从旋转运动分辨率、运动稳定性等方面对所设计加工的样机进行了实验研究.实验结果表明设计的结构具有分辨率高、行程大和运行稳定等优点,克服了目前精密驱动机构存在的位移最小分辨率和大行程共存性不好的问题.